專利名稱：用于金屬加工的pvd涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐磨涂層，該耐磨涂層適于沉積在用于切屑形成金屬加工的切割刀具刀片上。涂層包括至少兩個(gè)層，所述至少兩層具有不同的粒度，但具有本質(zhì)上(essentially)相同的成分。涂層通過(guò)物理氣相沉積(PVD)而沉積。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代切屑形成金屬加工增加的生產(chǎn)率需要具有高可靠性和優(yōu)良耐磨特性的刀具。自20世紀(jì)60年代末期起，能夠通過(guò)將合適的涂層涂覆到刀具表面而顯著地延長(zhǎng)刀具壽命就已經(jīng)是眾所周知的了?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)是第一種用于切割刀具的沉積技術(shù)，并且該方法仍然被廣泛地用于沉積TiN、Ti (C，N)和Al2O3層。物理氣相沉積(PVD)在20世紀(jì)80年代引入，并從那時(shí)起發(fā)展成從穩(wěn)定金屬化合物如TiN或Ti (C，N)的沉積到通過(guò)諸如濺射或陰極電弧蒸發(fā)之類的方法的、包括多種成分、亞穩(wěn)化合物如(Ti，Al)N，(Ti，Si)N，或(Al， Cr)N的沉積。這些涂層的性能針對(duì)特定的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，并且因此這些涂層的性能其在各自的應(yīng)用領(lǐng)域之外就顯著降低。例如，具有約5-30nm的典型粒度的細(xì)粒度涂層通常用于具有小切屑厚度的端銑刀，而隨著在使用可轉(zhuǎn)位刀片的銑削和車削應(yīng)用中，切屑厚度和溫度升高，具有約50-500nm的典型粒度的粗粒度涂層通常表現(xiàn)突出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在從很小到很大切屑厚度范圍內(nèi)的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域中具有高加工性能的涂層。本發(fā)明涉及一種適于沉積在用于切屑形成金屬加工的切割刀具刀片上的耐磨涂層。根據(jù)本發(fā)明的涂層包含至少兩個(gè)層，所述至少兩個(gè)層具有本質(zhì)上相同的成分，但具有不同的粒度。涂層具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，所述應(yīng)用領(lǐng)域的范圍從采用端銑刀的精加工到利用可轉(zhuǎn)位刀片的中等精度加工或粗加工。涂層是通過(guò)物理氣相沉積而沉積的。


圖I顯示了根據(jù)本發(fā)明的涂層的斷裂橫截面的掃描電子顯微鏡圖像(SEM)。涂層包括兩個(gè)雙層(圖中標(biāo)記為D)，每個(gè)雙層均包括一個(gè)細(xì)粒度涂層(標(biāo)記A)和一個(gè)粗粒度涂層(標(biāo)記B)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種用于切屑形成金屬加工的切削刀具的耐磨PVD涂層。涂層包括一個(gè)或更多個(gè)D雙層，其中每一個(gè)D雙層由一個(gè)內(nèi)B層和一個(gè)外A層構(gòu)成，A層在沒(méi)有中間層的情況下沉積在B層上。層A和層B具有本質(zhì)上相同的成分，但不同之處在于其平均粒寬Wa和Wb,使得Wa < WB。層的粒寬W是在層的中間沿著垂直于晶粒生長(zhǎng)方向的線跨越至少20個(gè)晶粒的破裂橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像上估算出來(lái)的。對(duì)于具有本質(zhì)上相同的化學(xué)成分，這里意味著A和B層從相同的陰極沉積而來(lái)，并且由于A層和B層沉積的工藝條件的不同，最終形成的A層和B層具有相同的化學(xué)元素，但每一種元素的原子含量(不包括氮)可能在近似±3at%單位內(nèi)變化，而氮含量在每個(gè)D雙層內(nèi)是恒定的。在每一個(gè)D雙層內(nèi)，優(yōu)選的是，A層是細(xì)粒度的且2 < wA < 50nm, B層具有粗晶粒且大致柱狀晶粒，且30 < wB < 500nm,并且wB/wA > 2。A層的厚度在O. 03 μ m和5 μ m之間，優(yōu)選在O. 05 μ m和2 μ m之間，并且B層的厚度在O. I μ m和5 μ m之間，優(yōu)選在O. 2 μ m和2 μ m之間。D雙層的數(shù)量在I和100之間，優(yōu)選在I到20之間，最優(yōu)選在I和10之間。所有D雙層的總厚度在O. 3μπι到20μπι之間，優(yōu)選在O. 5μπι到ΙΟμπι之間。A層和B層之間的或D雙層之間的過(guò)渡(transition)優(yōu)選為突變或漸變，但是涂層還能夠在D雙層之間包括一個(gè)或更多個(gè)中間層，以實(shí)現(xiàn)在O. 5μπι到20 μ m之間的厚度。本發(fā)明還涉及一種包括一個(gè)或更多個(gè)D雙層的涂層，且在至少一個(gè)所述D雙層中，粒度從粗粒度連續(xù)減小到細(xì)粒度。然后D雙層被分成具有粗粒度和細(xì)粒度的兩個(gè)層部分，并且這些層部分被分別定義為層A和層B。 根據(jù)本發(fā)明的涂層還可以包括如在本領(lǐng)域中已知的、被設(shè)置在基底和最里面的D雙層之間的內(nèi)側(cè)單層和/或內(nèi)側(cè)多層，和/或被設(shè)置到最外面的D雙層上的外側(cè)單層和/或外側(cè)多層，以實(shí)現(xiàn)在O. 5μπι到30μπι之間，優(yōu)選在O. 5μπι到15 μ m之間，最優(yōu)選在O. 5 μ m到10 μ m之間的總涂層厚度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，涂層包括一個(gè)D雙層。在另一優(yōu)選實(shí)施例中,涂層包括兩個(gè)D雙層。在第三優(yōu)選實(shí)施例中，A層和B層具有根據(jù)如下化學(xué)式的成分(Tihh1AlxlMeyl)(Ual) zl，其中，O. 3 < xl < O. 7，O 彡 yl < O. 3，優(yōu)選 O^yKO. 15，最優(yōu)選 yl =0,0. 90
<zl < I. 10，優(yōu)選 O. 96 < zl < I. 04,0 ^ al < O. 5，優(yōu)選 O 彡 al < O. 3，最優(yōu)選 al = O。Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Si 中的一個(gè)或更多個(gè)，優(yōu)選是 Zr、Hf、V、Nb、Cr、Ce和Si中的一個(gè)或更多個(gè)，并且Q是C、B、S和O中的一個(gè)或更多個(gè)。在第四優(yōu)選實(shí)施例中，A層和B層具有根據(jù)如下化學(xué)式的成分(Ti^y2Six2Mey2)(Ua2) z2，其中，O. 02 < x2 < O. 25，O 彡 y2 < O. 3，優(yōu)選 O ^ y2 < O. 15,最優(yōu)選 y2 = O,
O.90 < z2 < I. 10，優(yōu)選 O. 96 < z2 < I. 04，O ^ a2 < O. 5，優(yōu)選 O 彡 a2 < O. 3，最優(yōu)選 a2=O。Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Al 中的一個(gè)或更多個(gè)，優(yōu)選是 Zr、Hf、V、Nb、Cr、Ce和Al中的一個(gè)或更多個(gè)，并且Q是C、B、S和O中的一個(gè)或更多個(gè)。在第五優(yōu)選實(shí)施例中，A層和B層具有根據(jù)如下化學(xué)式的成分(Cri_x3_y3Alx3Mey3)(Ua3)z3,其中，O. 3 < x3 < O. 75，O ^ y3 < O. 3，優(yōu)選 O ^ y3 < O. 15，最優(yōu)選 y3 = 0，
O.90 < z3 < I. 10，優(yōu)選 O. 96 < z3 < I. 04，O ^ a3 < O. 5，優(yōu)選 0 彡 a3 < 0· 3，最優(yōu)選 a3=0。Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Ti 中的一個(gè)或更多個(gè)，優(yōu)選是 Zr、Hf、V、Nb、Cr、Ce和Ti中的一個(gè)或更多個(gè)，并且Q是C、B、S和O中的一個(gè)或更多個(gè)。根據(jù)本發(fā)明中的A層和B層是通過(guò)PVD沉積的，優(yōu)選地是通過(guò)陰極電弧度沉積的。粒度的變化可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，例如通過(guò)1)改變陰極處的磁場(chǎng)，2)改變沉積溫度，和/或3)改變蒸發(fā)電流。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定合適的工藝條件是在熟悉本領(lǐng)的技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)的。示例 I
根據(jù)本發(fā)明的(Ti，A1)N涂層通過(guò)陰極電弧蒸發(fā)沉積到硬質(zhì)合金刀片上，并且主要成分是 90wt% WC+1Owt% Co。在沉積之前，在堿性溶液和酒精的超聲波浴中清潔刀片。將沉積室抽空到低于2. OX 10_3Pa的基礎(chǔ)壓力，在這之后采用Ar離子來(lái)濺射清洗刀片。在總壓強(qiáng)為4Pa的99.995%純凡氣氛中，在4501下使用-8(^的偏壓和9(^的蒸發(fā)電流，從成分為11 Al=34 66的TiAl復(fù)合陰極沉積涂層。在陰極表面的前方的磁場(chǎng)被調(diào)節(jié)到兩個(gè)水平，即M53和Mii之間，以分別產(chǎn)生A層和B層,其中M 大致垂直于陰極表面且其磁場(chǎng)強(qiáng)度在3-20mT的范圍內(nèi)在陰極表面上變化，而大致垂直于陰極表面且磁場(chǎng)強(qiáng)度在O. 5-2. 5mT的范圍內(nèi)。首先，在Mii下使用20%的總沉積時(shí)間沉積B層，然后在Ms下使用30%的總沉積時(shí)間沉積A層，并且然后重復(fù)一次相同的流程。將涂層采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行研究。圖I顯示了斷裂橫截面的SEM圖像，其中清晰看到兩個(gè)D雙層，每一個(gè)D雙層均由一個(gè)A層和一個(gè)B層組成。沿著圖Ib中示出的線估算平均粒寬W。兩個(gè)A層均具有細(xì)粒度的等軸晶粒且w 19nm，并且兩個(gè)B層均具有粗粒度的柱狀晶粒且w 61nm。總涂層厚度約為2 μ m。·示例 2根據(jù)本發(fā)明的(Ti，A1)N涂層通過(guò)陰極電弧蒸發(fā)沉積到硬質(zhì)合金刀片上，并且主要成分是90wt% WC+10wt% Co ο沉積條件與示例I相同，但是首先在1_下使用70%的總沉積時(shí)間沉積B層，并且然后在Ms下使用30%的沉積時(shí)間沉積A層。層B的平均粒寬w被估算出來(lái)是w 70nm,而層A的平均粒寬w被估算出來(lái)是w 18nm。總涂層厚度約為2 μ m。示例 3在銑削操作中使用如下數(shù)據(jù)條件測(cè)試示例I (此處記為Invl)和示例2 (Inv2)的
涂層
幾何形狀XOEX120408R-M07
應(yīng)用方肩銑削
工件材料AISI 316L
切割速度160 m/分鐘
進(jìn)給量0.15 mm/齒
切割深度2 mm
切割寬度13 mm (26%)
刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)后刀面磨損(vb) >0.3 mm作為參考，使用了具有與本發(fā)明的涂層類似的成分和厚度的兩個(gè)商用(Ti，A1)N涂層，即Refl和Ref2。Refl是用于該特定銑削操作的現(xiàn)有技術(shù)并且具有w IOOnm的柱狀晶粒和粗粒度。Ref2是w 15nm的細(xì)粒度的。
權(quán)利要求
1.一種用于切屑形成金屬加工的切割刀具的耐磨PVD涂層，其特征在于，所述涂層包括一個(gè)或更多個(gè)D雙層，其中每個(gè)D雙層由一個(gè)內(nèi)B層和一個(gè)外A層構(gòu)成，所述A層在沒(méi)有中間層的情況下沉積在所述B層上，并且其中所述A層和所述B層具有本質(zhì)上相同的化學(xué)成分，但是在所述A層的平均粒寬Wk和所述B層的平均粒寬wB方面彼此不同，使得wA < wB。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的涂層，其特征在于，在每個(gè)D雙層內(nèi)，所述A層是細(xì)粒度的，其中2 < Wa < 50nm,所述B層是粗粒度的,其中30 < wB < 500nm,并且wB/wA > 2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的涂層，其特征在于，每一個(gè)所述A層的厚度都在O.03 μ m至5 μ m之間并且每一個(gè)B層的厚度都在O. I μ m至5 μ m之間，由此所有D雙層的總厚度在O. 3 μ m 至 20 μ m 之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的涂層，其特征在于，所述涂層在D雙層之間包括一個(gè)或更多個(gè)中間層，以實(shí)現(xiàn)在O. 5μπι至20μπι之間的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的涂層，其特征在于，所述涂層包括，被設(shè)置在基底和最里面的D雙層之間的內(nèi)側(cè)單層和/或內(nèi)側(cè)多層，和/或被設(shè)置到最外面的D雙層上的外側(cè)單層和/或外側(cè)多層，以實(shí)現(xiàn)在O. 5 μ m至30 μ m之間的總涂層厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的涂層，其特征在于，所述A層和B層具有根據(jù)如下化學(xué)式的成分=(TinylAlxlMeyl) (Nh1Qal) zl，其中，0.3 < xl <0.7，O 彡 yl <0.3，O. 90<zl < I. 10，O 彡 al < O. 5，Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Si 中的一個(gè)或更多個(gè)，并且Q是C、B、S和O中的一個(gè)或更多個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的涂層，其特征在于，所述A層和B層具有根據(jù)如下化學(xué)式的成分(Tiny2Six2Mey2) (Ua2)z2，其中，O. 02 < x2 < O. 25，O 彡 y2 < O. 3,0. 90<z2 < I. 10，O 彡 a2 < O. 5，Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Al 中的一個(gè)或更多個(gè)，并且Q是C、B、S和O中的一個(gè)或更多個(gè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的涂層，其特征在于，所述A層和B層具有根據(jù)如下化學(xué)式的成分(Crny3Alx3Mey3) (Nh3Qa3) z3，其中，O. 3 < x3 < O. 75,0 ^ y3 < O. 3,0. 90<z3 < I. 10，O 彡 a3 < O. 5，Me 是 Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Y、Sc、Ce、Mo、W 和 Ti 中的一個(gè)或更多個(gè)，并且Q是C、B、S和O中的一個(gè)或更多個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任一項(xiàng)所述的涂層，其特征在于，所述A層和B層是通過(guò)陰極電弧蒸發(fā)而沉積的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適于沉積在用于切屑形成金屬加工的切割刀具刀片上的耐磨涂層。所述涂層包括至少兩個(gè)層，所述兩個(gè)層具有不同粒度，但具有本質(zhì)上相同的成分。所述涂層是通過(guò)物理氣相沉積(PVD)而沉積的。
文檔編號(hào)C23C28/04GK102918183SQ201180020660
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者雅各布·舍倫, 喬恩·安德森, 約爾格·費(fèi)特爾, 于爾根·米勒 申請(qǐng)人:山高刀具公司